Esquema mostrando os materiais usados no sensor e na matriz de detecção em um manipulador robótico. Figura de Sensores de força 3D miniaturizados com estrutura multiescala. Reproduzido sob um CC POR 4,0 licença.
Os robôs estão se tornando cada vez mais capazes de visão e movimento, mas o toque continua sendo uma de suas principais fraquezas. Agora, os pesquisadores desenvolveram um sensor tátil em miniatura que poderia dar aos robôs algo muito mais próximo do sentido do tato humano.
A tecnologia, desenvolvida por pesquisadores da Universidade de Cambridge, é baseada em compósitos de metallic líquido e grafeno – uma forma bidimensional de carbono. A “pele” permite que os robôs detectem não apenas a força com que pressionam um objeto, mas também a direção das forças aplicadas, se um objeto está escorregando e até mesmo quão áspera é uma superfície, em uma escala pequena o suficiente para rivalizar com a resolução espacial das pontas dos dedos humanos. Seus resultados são relatado no diário Materiais da Natureza.
Os dedos humanos dependem de vários tipos de mecanorreceptores para sentir pressão, força, vibração e textura simultaneamente. Reproduzir este nível de percepção tátil multidimensional em sistemas artificiais é um desafio significativo, especialmente em dispositivos que são pequenos e duráveis o suficiente para uso prático.
“A maioria dos sensores tácteis existentes são demasiado volumosos, demasiado frágeis, demasiado complexos para fabricar ou incapazes de distinguir com precisão entre forças normais e tangenciais”, disse o professor Tawfique Hasan, do Cambridge Graphene Centre, que liderou a investigação. “Esta tem sido uma grande barreira para alcançar uma manipulação robótica verdadeiramente hábil.”
Para superar isso, a equipe de pesquisa desenvolveu um materials compósito macio e flexível, combinando folhas de grafeno, microgotículas metálicas deformáveis e partículas de níquel, incorporadas em uma matriz de silicone.
Inspirados nas microestruturas encontradas na pele humana, os investigadores moldaram o materials em pequenas pirâmides, algumas com até 200 micrómetros de diâmetro. Essas estruturas piramidais concentram a tensão em suas pontas, permitindo que o sensor detecte forças extremamente pequenas enquanto mantém uma ampla faixa de medição.
O resultado é um sensor tátil sensível o suficiente para detectar um grão de areia. Comparado com os sensores táteis flexíveis existentes, o novo dispositivo melhora o tamanho e os limites de detecção em aproximadamente uma ordem de grandeza.
O sensor também pode distinguir forças de cisalhamento da pressão regular, uma capacidade que permite detectar quando um objeto começa a escorregar. Ao medir sinais de quatro eletrodos abaixo de cada pirâmide, o sensor pode reconstruir matematicamente o vetor de força tridimensional completo em tempo actual.
Nas demonstrações, a equipe integrou os sensores em garras robóticas. Os robôs conseguiram agarrar objetos frágeis, como tubos finos de papel, sem esmagá-los. Ao contrário dos sensores de força convencionais, que dependem de informações prévias sobre as propriedades de um objeto, o novo sistema adapta-se em tempo actual através da detecção de deslizamento.
Em escalas ainda menores, conjuntos de microssensores poderiam identificar a massa, a geometria e a densidade do materials de minúsculas esferas metálicas, analisando a magnitude e a direção da força. Isso abre a porta para aplicações em cirurgia minimamente invasiva ou microrobótica, onde os sensores de força convencionais são grandes demais.
Além da robótica, a tecnologia pode ter implicações significativas para as próteses. Membros artificiais avançados dependem cada vez mais de suggestions tátil para fornecer aos usuários uma sensação de tato. Sensores de força 3D miniaturizados e altamente sensíveis podem permitir interações mais naturais com objetos, melhorando o controle, a segurança e a confiança do usuário.
“Nossa abordagem mostra que estruturas mecânicas volumosas ou ópticas complexas não são necessárias para obter detecção tátil 3D de alta resolução”, disse o autor principal, Dr. Guolin Yun, ex-bolsista da Royal Society Newton Worldwide em Cambridge e agora professor da Universidade de Ciência e Tecnologia da China. “Ao combinar materiais inteligentes com estruturas inspiradas na pele, alcançamos um desempenho que se aproxima notavelmente do toque humano.”
Olhando para o futuro, os investigadores acreditam que os sensores poderiam ser miniaturizados ainda mais, potencialmente abaixo dos 50 micrómetros, aproximando-se da densidade dos mecanorreceptores na pele humana. Versões futuras também poderão integrar sensores de temperatura e umidade, aproximando-se de uma pele synthetic totalmente multimodal.
À medida que os robôs saem cada vez mais dos ambientes fabris controlados e entram em casas, hospitais e ambientes imprevisíveis do mundo actual, esses avanços no contacto podem ser transformadores – permitindo que as máquinas não apenas vejam e ajam, mas também sintam verdadeiramente.
Um pedido de patente foi apresentado através da Cambridge Enterprise, o braço de inovação da Universidade. A pesquisa foi apoiada pela Royal Society, pelo Instituto Henry Royce e pela Agência de Pesquisa e Invenção Avançada (ARIA). Tawfique Hasan é membro do Churchill Faculty, Cambridge.
Referência
Sensores de força 3D miniaturizados com estrutura multiescala, Guolin Yun, Zesheng Chen, Zhuo Chen, Jinrui Chen, Binghan Zhou, Mingfei Xiao, Michael Stevens, Manish Chhowalla e Tawfique HasanMateriais da Natureza (2026).
Universidade de Cambridge